PL225525B1 - Komora fotoakustyczna - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest komora fotoakustyczna, mająca wnęki główne, które połączone są kanałem głównym (2), tworząc w ten sposób rezonator Helmholtza. Do obu wnęk głównych (1) dołączone są kanały przelotowe (3). Do przeciwnych końców kanałów przelotowych (3) dołączone są wnęki buforowe (4), a do nich kanały zewnętrzne (5), łączące wnętrze komory z otoczeniem. Objętość wnęk buforowych (4) jest dużo większa od objętości wnęk głównych (1). W każdej z wnęk głównych umieszczony jest mikrofon (6), a nad każdą z wnęk głównych umieszczone jest źródło światła (7). Emitowane przez źródła światła (7) i modulowane w przeciwfazie wiązki światła (8) przechodzą przez okienka (9) i wzbudzają w komorze sygnał fotoakustyczny, który za pomocą mikrofonów (6) jest przetwarzany na sygnał elektryczny i poddawany detekcji różnicowej. Długość kanałów przelotowych (3) oraz zewnętrznych (5) odpowiada 1/4 długości fali akustycznej, wzbudzanej w substancji wypełniającej komorę dla częstotliwości, z którą dokonywana jest modulacja wiązek światła (8), wykorzystywanych do wzbudzenia efektu fotoakustycznego. Komora jest symetryczna, a płaszczyzna symetrii (10) znajduje się w połowie długości kanału głównego (2) i jest do niego prostopadła.

Description

Przedmiotem wynalazku jest komora fotoakustyczna, stanowiąca element przyrządów fotoak ustycznych przeznaczonych, zwłaszcza do określania fizycznych i chemicznych właściwości gazów lub cieczy.

Znanych jest wiele rodzajów fotoakustycznych komór pomiarowych. Jednym z często stosowanych rozwiązań fotoakustycznej komory pomiarowej jest rezonator Helmholtza, który składa się z dwóch wnęk połączonych kanałem. Istotną cechą takiej komory jest to, że wykorzystywany w niej rezonans nie powstaje w oparciu o zjawisko fali stojącej, lecz jest związany z cyklicznym przetłaczaniem gazu lub cieczy przez kanał łączący wnęki.

Znane są, np. z opisu patentowego PL 210 128 B1, otwarte fotoakustyczne komory z rezonatorem Helmholtza. Komory otwarte pozwalają na swobodną wymianę badanej substancji, tj. cieczy lub gazu, z otoczeniem, co jest ich zaletą w stosunku do komór zamkniętych. Istotną wadą otwartej kom ory fotoakustycznej jest jednak to, że zakłócenia akustyczne występujące na zewnątrz komory stosu nkowo łatwo przenikają do jej wnętrza, zakłócając wytwarzany i mierzony w niej sygnał fotoakustyczny, a w konsekwencji ograniczając czułość pomiarową takiej otwartej komory fotoakustycznej.

Z opisu patentowego PL 214 327 B1 znana jest konstrukcja otwartej fotoakustycznej komory Helmholtza, w której do rezonatora Helmholtza dołączone są filtry akustyczne składające się z kanałów przelotowych, wnęk buforowych o objętościach znacznie większych od objętości wnęki z badaną substancją oraz kanałów zewnętrznych, łączących wnęki buforowe z otoczeniem. Przy odpowiednio dobranej długości kanałów zewnętrznych impedancja akustyczna tych kanałów widziana z zewnątrz komory jest bardzo duża. Tym samym przenikanie zewnętrznych zakłóceń akustycznych do wnętrza komory jest zredukowane.

Istotą wynalazku jest to, że do obydwu głównych wnęk komory, tworzących rezonator Helmholtza dołączone są kanały przelotowe, do których dołączone są filtry akustyczne składające się z dołączonych do kanałów przelotowych wnęk buforowych o objętościach znacznie większych od objętości głównych wnęk komory, do których to wnęk buforowych dołączone są kanały zewnętrzne łączące wnęki buforowe z otoczeniem.

Przy konstrukcji komory jak w wynalazku zewnętrzne zakłócenia akustyczne przedostają się w zbliżony sposób do obydwu głównych wnęk komory. Oznacza to, że pojawiające się w obu wnękach głównych składowe od tego samego sygnału zakłócającego mają zbliżoną amplitudę i fazę. Jedną z istotnych właściwości rezonatora Helmholtza jest to, iż w przypadku pracy na częstotliwości rezonansowej przejściu sygnału akustycznego z jednej wnęki do drugiej przez kanał główny towarzyszy zmiana fazy o 180°, to zaś powoduje, że dwie pojawiające się w danej wnęce głównej składowe pochodzące od tego samego sygnału zakłócającego, z których jedna składowa jest wynikiem przejścia zakłóceń przez tor złożony z jednego kanału zewnętrznego, wnęki buforowej i kanału przelotowego, a druga składowa jest wynikiem przejścia zakłóceń przez tor złożony z drugiego kanału zewnętrznego, wnęki buforowej, kanału przelotowego, drugiej wnęki głównej i kanału głównego będą w przeciwfazie, a zatem będą się częściowo znosić. W konsekwencji, w rozwiązaniu według wynalazku tłumienie przenikania zewnętrznych zakłóceń akustycznych do wnętrza komory jest znacznie silniejsze niż w znanych rozwiązaniach otwartych komór fotoakustycznych z rezonatorem Helmholtza.

Korzystnie jest, by długości kanałów przelotowych były tak dobrane, żeby na częstotliwości, na której dokonywana jest modulacja wiązki światła wykorzystywanego do wzbudzenia efektu fotoakustycznego, odpowiadały one 1/4 długości fali akustycznej powstającej w badanej substancji, zwłas zcza gazie lub cieczy, wypełniającej komorę. Przy tak dobranej długości kanałów przelotowych ich impedancja akustyczna widziana od strony wnęk głównych komory jest bardzo duża. W rezultacie rezonans komory jest w bardzo małym stopniu tłumiony przez obecność kanałów przelotowych i filtrów akustycznych.

Korzystnie jest, by długości kanałów zewnętrznych były tak dobrane, żeby na częstotliwości, na której dokonywana jest modulacja wiązki światła wykorzystywanego do wzbudzenia efektu fotoak ustycznego, odpowiadały one 1/4 długości fali akustycznej powstającej w badanej substancji, zwłaszcza gazie lub cieczy, wypełniającej komorę. Przy tak dobranej długości kanałów zewnętrznych imp edancja akustyczna kanałów zewnętrznych widziana z zewnątrz komory jest bardzo duża. Tym samym przenikanie zewnętrznych zakłóceń akustycznych do wnętrza komory jest znacznie redukowane.

Korzystnie jest, by kanały zewnętrzne były do siebie równoległe, a ich zewnętrzne końce znajdowały się po tej samej stronie komory. W takim przypadku zewnętrzne zakłócenia akustyczne poj aPL 225 525 B1 wiające się na końcach obu kanałów zewnętrznych mają bardzo zbliżone amplitudy i fazy, to zaś prowadzi do silnego znoszenia się składowych od tych zakłóceń we wnękach głównych komory według wynalazku.

Korzystnie jest, by wewnętrzna struktura komory, tj. rozmiary i położenie wnęk i kanałów, miała płaszczyznę symetrii prostopadłą do kanału głównego łączącego wnęki główne i leżącą w połowie długości kanału głównego. W przypadku takiej symetrycznej konstrukcji komory właściwości akustyc zne obu torów złożonych z kanału zewnętrznego, wnęki buforowej, kanału przelotowego i wnęki głównej są takie same, a w konsekwencji zewnętrzne zakłócenia akustyczne przechodzące przez te elementy komory powodują powstanie we wnękach głównych identycznych składowych od tych zakłóceń, to zaś prowadzi do bardzo efektywnego znoszenia się tych składowych.

Korzystne jest umieszczenie mikrofonów w obydwu wnękach głównych, a następnie pobudzanie badanej substancji wiązką modulowaną z częstotliwością rezonansową komory i dokonywanie detekcji sygnału fotoakustycznego techniką różnicową, czyli przez odejmowanie sygnałów pochodzących z wyjść obu mikrofonów. Ponieważ dla częstotliwości rezonansowej sygnał fotoakustyczny w obu wnękach głównych jest w przeciwfazie, a przenikające do środka komory zewnętrzne zakłócenia akustyczne mają taką samą fazę, to wskutek odjęcia sygnałów z obu mikrofonów amplituda sygnału fot oakustycznego na wyjściu układu odejmującego zostanie podwojona, zaś składowe od zakłóceń zewnętrznych zostaną bardzo silnie zredukowane.

Korzystne jest pobudzanie obu głównych wnęk komory wiązkami światła o takiej samej długości fali i mocy optycznej, które to wiązki światła są zmodulowane w przeciwfazie z częstotliwością odpowiadającą rezonansowi komory. Ponieważ dla częstotliwości rezonansowej sygnał fotoakustyczny pochodzący od danego źródła światła w obu wnękach głównych jest w przeciwfazie, a każda z wiązek będzie powodowała powstanie takiej samej składowej sygnału fotoakustycznego, to wypadkowa amplituda sygnału fotoakustycznego zostanie podwojona.

Zaletami fotoakustycznej komory i układu detekcji fotoakustycznej według wynalazku w stosunku do znanych komór fotoakustycznych z rezonatorem Helmholtza jest znacznie silniejsze tłumienie przenikania zewnętrznych zakłóceń akustycznych do wnętrza komory oraz powstawanie znacznie słabszego sygnału wyjściowego pochodzącego od tych zakłóceń, prowadząc w rezultacie do znaczącej poprawy czułości pomiarów fotoakustycznych.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia komorę fotoakustyczną.

W realizacji pokazanej na rysunku, dwie wnęki główne (1) połączone są kanałem głównym (2), tworząc w ten sposób rezonator Helmholtza służący do wzmacniania sygnału fotoakustycznego. Do obu wnęk głównych (1) dołączone są kanały przelotowe (3). Do przeciwnych końców kanałów przelotowych (3) dołączone są wnęki buforowe (4), a do nich kanały zewnętrzne (5), łączące wnętrze kom ory z otoczeniem, dzięki czemu badana substancja w postaci gazu łub cieczy ma możliwość swobodnego przepływu do wnęk głównych (1) z zewnątrz komory. Objętość wnęk buforowych (4) jest dużo większa od objętości wnęk głównych (1). W każdej z wnęk głównych umieszczony jest mikrofon (6), a nad każdą z wnęk głównych umieszczone jest źródło światła (7). Emitowane przez źródła światła (7) i modulowane w przeciwfazie wiązki światła (8) przechodzą przez okienka (9) i wzbudzają w komorze sygnał fotoakustyczny, który za pomocą mikrofonów (6) jest przetwarzany na sygnał elektryczny i poddawany detekcji różnicowej. Długość kanałów przelotowych (3) oraz zewnętrznych (5) odpowiada 1/4 długości fali akustycznej wzbudzanej w substancji wypełniającej komorę dla częstotliwości, z którą dokonywana jest modulacja wiązek światła (8) wykorzystywanych do wzbudzenia efektu fotoakustyc znego. Komora jest symetryczna, a płaszczyzna symetrii (10) znajduje się w połowie długości kanału głównego (2) i jest do niego prostopadła.

Claims (7)

1. Komora fotoakustyczna w postaci rezonatora Helmholtza, do wzmacniania sygnału fotoakustycznego, zawierająca połączone kanałem wnęki główne (1) wypełnione badaną substancją, znamienna tym, że do obu wnęk głównych (1) dołączone są kanały przelotowe (3), do których dołączone są filtry akustyczne składające się z dołączonych do kanałów przelotowych (3) wnęk buforowych (4) o objętościach znacznie większych od objętości wnęk (1) oraz z kanałów zewnętrznych (5), łączących wnęki buforowe (4) z otoczeniem.

PL 225 525 B1

2. Komora fotoakustyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że kanały przelotowe (3), korzystnie mają długość tak dobraną, żeby na częstotliwości, na której dokonywana jest modulacja wiązki światła wykorzystywanego do wzbudzenia efektu fotoakustycznego, odpowiadała ona 1/4 długości fali akustycznej powstającej w badanej substancji, zwłaszcza gazie lub cieczy, wypełniającej komorę.

3. Komora fotoakustyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że kanały zewnętrzne (5), korzystnie mają długość tak dobraną, żeby na częstotliwości, na której dokonywana jest modulacja wiązki światła wykorzystywanego do wzbudzenia efektu fotoakustycznego, odpowiadała ona 1/4 długości fali akustycznej powstającej w badanej substancji, zwłaszcza gazie lub cieczy, wypełniającej komorę.

4. Komora fotoakustyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że kanały zewnętrzne (5) korzystnie są do siebie równoległe, a ich zewnętrzne końce znajdują się po tej samej stronie komory.

5. Komora fotoakustyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że korzystnie ma płaszczyznę symetrii (10) prostopadłą do kanału głównego (2) łączącego wnęki główne (1) i leżącą w połowie długości kanału głównego (2).

6. Komora fotoakustyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że w obu wnękach głównych (1) umieszczone są mikrofony (6) służące do różnicowej detekcji sygnału fotoakustycznego.

7. Komora fotoakustyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że wyposażona jest w źródła światła wytwarzające zmodulowane w przeciwfazie wiązki światła (8) przepuszczane przez wnęki